药学CMC视角 | 药物中的N-亚硝基杂质：胍类化合物的生成之谜

药物安全无小事！胍类化合物作为许多药物的重要结构单元（如西咪替丁），其潜在杂质-N-亚硝基化合物 (N-nitrosamines, NAs) 因具有遗传毒性风险而备受关注。它们究竟是如何产生的？让我们深入解析一下！

 

一、核心问题：胍基的“弱点”

胍类化合物（Guanidines）的通式为 R₁R₂N-C(=NH)-NR₃R₄，其核心结构是一个高度共轭的胍基（-C(=NH)-NH₂）。胍基的氮原子具有孤对电子，表现出强碱性（pKa ~13-14），在酸性条件下易质子化形成胍盐（Guanidinium ion）。这种质子化会显著影响其反应活性。

 

01 亚硝化反应：条件

亚硝化反应需要底物（如胍类）与亚硝酸（HNO₂）在酸性条件下反应。胍类化合物的亚硝化可能性取决于以下因素：

• 氮原子的亲核性：胍基中的氮原子（尤其是未质子化的形式）是良好的亲核试剂，可攻击亚硝化试剂（如H₂NO₂⁺或N₂O₃）。
• 反应条件：低pH（pH 1-3）和高亚硝酸浓度有利于反应，但胍基的质子化可能抑制反应。
• 竞争反应：胍类可能通过水解或重排生成其他产物（如尿素衍生物）。

 

02 亚硝化反应：机制

直接亚硝化：

• 步骤1：胍基的氮原子攻击亚硝化试剂（如H₂NO₂⁺，由HNO₂在酸性条件下生成）
• 步骤2：亚硝基胍不稳定，可能进一步水解生成亚硝基脲（Nitrosourea）或消除氨生成亚硝基氰胺（Nitrosocyanamide）

间接亚硝化：

胍类可能先转化为中间体（如氰胺或尿素衍生物），再被亚硝化。例如：胍类在酸性条件下水解为尿素衍生物，随后发生亚硝化

影响反应的因素

• pH值：低pH（1-3）促进H₂NO₂⁺的形成，但胍基的质子化会降低反应速率。
• 取代基效应：烷基取代的胍类（如甲基胍）比游离胍更易亚硝化，但空间位阻会抑制反应。
• 竞争反应：亚硝酸可能氧化胍基或引发副反应（如重排、水解）。

 

二、实例剖析：甲基胍的亚硝化之旅

甲基胍（CH₃-NH-C(=NH)-NH₂）在酸性条件下的亚硝化反应，发现其最终生成两种主要产物：

• 甲基亚硝基脲（Methylnitrosourea, MNU, CH₃-N(NO)-CO-NH₂）
• 甲基亚硝基氰胺（Methylnitrosocyanamide, "X", CH₃-N(NO)-C≡N）

 

01. 甲基胍的亚硝化反应机制

初始亚硝化：生成1-甲基-1-亚硝基胍（1-Methyl-1-nitrosoguanidine）

在酸性条件下，亚硝酸（HNO₂）质子化形成 H₂NO₂⁺（亚硝酸阳离子），作为强亲电试剂攻击甲基胍的 末端氮原子（NH₂）：

生成的 1-甲基-1-亚硝基胍（1-Methyl-1-nitrosoguanidine） 不稳定，会进一步反应中间体的转化

1-甲基-1-亚硝基胍可通过两种途径分解：

• 途径A：水解生成甲基亚硝基脲（MNU）

 

• • 该反应涉及胍基的水解，C=NH 被氧化为 C=O，生成甲基亚硝基脲（MNU），并释放氨（NH₃）。
• 途径B：消除氨生成甲基亚硝基氰胺（X）

 

• • 该反应涉及氨的消除，形成甲基亚硝基氰胺（Methylnitrosocyanamide, X），其结构为 CH₃-N(NO)-C≡N。

02. 实验观察

短时间反应（1小时）：主要生成甲基亚硝基氰胺（X），其紫外吸收峰在 371, 385, 400 nm（类似乙基亚硝基氰胺）。
长时间反应（3小时以上）：甲基亚硝基氰胺（X）的浓度下降，而甲基亚硝基脲（MNU）的浓度上升，表明X可进一步水解为 MNU。

03. pH 影响

pH 1 时，反应速率最快。pH 2 时，反应速率降低约 50%。pH > 3 时，反应几乎不发生。

 

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作者：周宜轩 博士